علمی (مهندسی مواد)

گوگرد زدایی
گوگرد زدایی با روش توپی متخلخل انجام می‌گیرد که در صورت نبود امکانات برای این روش می‌توان گوگردزدایی را پس از تنظیم ترکیب مذاب در داخل کوره القائی انجام داد، با انجام عمل گوگردزدایی، مقدار گوگرد به حد هزارم درصد کاهش می‌یابد. گوگردزدایی توسط افزودن کاربید کلسیم به داخل مذاب صورت می‌گیرد، برای جلوگیری از خوردگی جداره کوره در اثر گوگردزدایی می‌توان یک کوره به این عمل اختصاص داد.
عملیات ریخته‌گری
در این مرحله عملیات ذوب‌ریزی در داخل قالب صورت می‌گیرد. معمولا در یک کارخانه که دارای خط تولید خودکار است. قالب‌ها بر روی یک میز دوار بسته شده است که به آن روش کاروسل می‌گویند. در این روش یک لنگه از قالب ثابت است و لنگه دیگر قالب به وسیله یک جک، قابل باز و بسته شدن می‌باشد. به طور کلی در اکثر روشهای ریخته‌گری با قالب فلزی، قالب‌ها با عبور جریان آب و یا هوا که از پشت قالب صورت می‌گیرد، خنک می‌شوند.
خنک نکردن قالب‌ها موجب کاهش شدید عمر آنها می‌شود.
افراد مورد نیاز جهت اداره یک خط تولید کاروسل 3 الی 4 نفر است که طی مراحل ذکر شده انجام وظیفه می‌نمایند.

عملیات پوشش‌دهی قالب
پوشش دهی قالب به منظور افزایش عمر افزایش عمر قالب، بالا بردن کیفیت سطحی قطلعات و کاهش سرعت انجماد جهت دستیابی به زمینه‌ای عاری از کاربید صورت می‌گیرد. عمومی‌ترین و بهترین روش پوشش‌دهی به ترتیب به صورت زیر انجام می‌گیرد: ابتدا پس از پرداخت کاری و تمیزکاری قالب یک لایه اولیه به روش فلز نشانی (متالیزه) توسط دستگاه مخصوص بر روی سطوح داخلی قالب و محفظه ریختگی نشانده می‌شود. برای این منظور از پودر نیکل آلومیناید استفاده می‌شود که تا ضخامت 1/0 میلی‌متر سطح قالب را می‌پوشاند. پس از آن یک لایه از پودر آلومینا به ضخامت حدود 3/0 میلی‌متر به وسیله همان دستگاه بر روی لایه اول پوشش داده می‌شود. پس از آن به منظور کاهش قابلیت هدایت حرارتی و حفاظت سطوح قالب از یک لایه پوشش عایق استفاده می‌شود. که ترکیب چند نوع از آنها در زیر ارائه شده است.

نوع اول:
پودر فروسیلیسیم زیر 200 مش به مقدار 50?
پودر گرافیت زیر 200 مش به مقدار 45?
خاک رس به مقدار 5?
آب به مقدار کافی تا عملیات پاشیدن به سهولت انجام گیرد.
نوع دوم :
پودر کوارتز زیر 200 مش به مقدار 30?
پودر شاموت زیر 200 مش به مقدار 40?
خاک رس به مقدار 30?
آب به مقدار کالی تا عملیات پاشیدن با افشانک به سهولت انجام شود. برای افزایش مقدار چسبندگی می‌توان از سدیم فلوئور سیلیکات (Na2SiF6) استفاده نمود.
نوع سوم:
پودر شاموت زیر 200 مش به مقدار 45? - 35?
سیلیکات سدیم (آب شیشه) 6?- 8?
پرمنگنات پتاسیم به مقدار 05/0?
باقیمانده خاک رس
آب به مقدار کافی تا عمل پاشش به سهولت انجام پذیرد.
برای افزایش میزان چسبندگی می‌توان از تترابرات سدیم و اسیدبوریک استفاده کرد.
نوع چهارم :
پودر سیلیس زیر 200 مش به مقدار 4 قسمت حجمی، سیلیکات سدیم 1 قسمت حجمی آب به مقدار کافی تا عملی پاشیدن به راحتی صورت گیرد.
نوع پنجم:
پودر کائولن به مقدار 4 قسمت حجمی
سیلیکات سدیم 1 قسمت حجمی
آب به مقدار کافی تا عمل پاشیدن به راحتی صورت گیرد.
روش پوشش‌دهی قالب ها
روش پوشش‌دهی توسط مواد عایق به این ترتیب است که ابتدا قالب را تا 150 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و پس از پاشیدن مواد عایق با افشانک مجددا قالب تا 300 درجه سانتی‌گراد حرارت داده می‌شود تا پوشش کاملا به سطوح قالب بچسبد و خشک شود. ضخامت پوشش‌ها توسط دستگاه ضخامت سنج‌ مغناطیسی قابل اندازه‌گیری است. مرحله نهایی پوشش‌دهی استفاده از اندود دوده استیلن می‌باشد، ضخامت این لایه در حدود 1/0 تا 2/0 میلی‌متر می‌باشد. این لایه علاوه بر کمک به بالا بردن عمر قالب سبب کاهش انتقال حرارت و تسهیل در جداسازی قطعه از قالب به هنگام تخلیه خواهد شد. این لایه همچنین به عنوان عاملی برای آب‌بندی درزهای دو لنگه قالب در سطح جدایش ایفای نقش نموده و از بیرون زدن مذاب از بین دو لنگه در سطح جدایش جلوگیری به عمل خواهد آورد.
برای جلوگیری از خوردگی قالب در اثر جریان مذاب می‌توان از پوشش رنگ آلومینیم سیلیسیم به ضخامت 5? تا 1/0 میلی‌متر استفاده کرد.

روش تلقیح منیزیم
تلقیح منیزیم در تولید قطعات چدن نشکن با استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال انجام می‌گیرد. با به کارگیری این روش تولید قطعات نشکن بدون نیاز به عملیات حرارتی آنیل به نتیجه مطلوب رسیده است.
عملیات اجرایی فرایند تولید چدن نشکن با استفاده از محفظه فعل و انفعال به دو صورت زیر مورد بررسی و آزمایش قرار گرفته است:

1- تعبیه محفظه فعل و انفعال در داخل قالب
استفاده از این روش علاوه بر مسائل و مشکلات عملی از جمله اشکال در بیرون اندازی قطعه از قالب، معایب ساختاری را نیز به همراه داشت. از آن جمله می‌توان کروی نشدن کامل گرافیت‌ها و وجود گرافیتهای فشرده در زمینه را ذکر نمود. علت این امر مربوط به حل نشدن کامل فروسیلیسم – منیزیم موجود در محفظه است. بالا بودن سرعت سرد شدن مذاب در داخل قالب، افت شدیدی در درجه حرارت مذاب قبل از حل کردن فروسیلیسم – منیزیم به وجود می‌آورد و در نتیجه با باقیمانده فروسیلیسم – منیزیم موجود در محفظه مواجه هستیم. با توجه به مشکلات موجود، ادامه تولید چدن نشکن با این روش نیاز به مطالعات عملی بیشتری دارد.
2- تعبیه محفظه فعل و انفعال در خارج از قالب
در این حالت، محفظه فعل و انفعال ماسه‌ای است که به طور جداگانه‌ای ساخته شده و هنگام ریخته‌گری بر روی قالب‌های فلزی قرار داده می‌شود. با بکارگیری این روش نه تنها مشکلات اجرائی به حداقل رسیده، بلکه ساختار میکروسکوپی قطعه تولید شده نیز مطلوب‌ترین وضع را داشته است. با استفاده از این روش گرافیت‌ها کاملا کروی شده با توزیع یکنواخت در زمینه عادی از کاربید حاصل شده است. در این حالت فروسیلیسم، منیزیم باقیمانده و حل نشده در محفظه فعل و انفعال مشاهده نمی‌شود و ریختن فروسیلیسم منیزیم توزین شده در محفظه فعل و انفعال به سهولت صورت می‌پذیرد. محفظه فعل و انفعال می‌تواند با روشهای مختلف از جمله استفاده از چسب سیلیکات سدیم، چسب سرد (فوران)، چسب گرم و ماسه رزین‌دار ساخته شود. محفظه فعل و انفعال دارای درپوشی است که پس از ریختن فروسیلیسم- منیزیم در داخل محفظه بر روی آن قرار می‌گیرد، روی درپوش جهت جلوگیری از بیرون زدن مذاب وزنه مناسب قرار داده می‌شود.
ابعاد محفظه مطابق با مشخصات و وزن قطعات تولیدی طراحی و ساخته می‌شود. محفظه فعل و انفعال ذکر شده به صورت یکبار مصرف است و برای هر بار ریخته‌گری یک عدد از این محفظه مورد نیاز است.
فروسیلیسیم منیزیم مصرفی در این فرایند از نوع 05/0 منیزیم است که با دانه‌بندی 1 تا 4 میلی‌متر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
درجه بارریزی
درجه حرارت مذاب همواره باید تحت کنترل باشد، معمولا مذابی که از کوره‌های نگهدارنده گرفته می‌شود، دارای درجه حرارت حدود 1450 درجه سانتی‌گراد می‌باشد.

سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری
سیستم راهگاهی بر اساس مشخصات وزنی قطعات و نوع قالب طراحی می‌شود کلیه راهگاه‌های فرعی متصل به قطعه بر اساس سیستم غیر فشاری بوده و از پایین به قطعه وصل می‌شوند، بارریزی از بالا نتایج نامطلوبی از جمله ایجاد مک و حفره‌های گازی را در بردارد.
در طراحی این گونه سیستم عملا هیچگونه اشکالی مشاهده نمی‌شود و قطعات ریختگی همگی از کیفیت مطلوبی برخوردار می‌باشند. کلیه مک‌ها و حفره‌های گازی با طراحی صحیح سیستم راهگاهی حذف می‌شوند. علاوه بر سیستم باردهی از پایین قطعه، هواکشهایی نیز در قالب تعبیه شده‌اند تا از محبوس شدن هوا و گازهای احتمالی در داخل قطعه جلوگیری شود.


مشخصات قطعات ریختگی
کیفیت سطحی و عیوب احتمالی
قطعات تولید شده با روش ریخته‌گری در قالب فلزی در صورتی که روند تولید آنها به درستی برنامه‌ریزی شده باشد، از کیفیت سطحی بهتری نسبت به قالب های ماسه‌ای برخوردار می‌باشند. عدم دقت در کنترل و برنامه‌ریزی مراحل مختلف تولید عیوبی را در سطح قطعه به وجود می‌آورد که از آن جمله می‌توان حفره‌های سطحی و زیرسطحی و چین‌خوردگی سطحی را
نام برد.
علت به وجود آمدن حفره‌ها درست نبودن طراحی سیستم راهگاهی و تغذیه‌گذاری و کانالهای خروج گازهای ماهیچه و هوای محبوس در قطعه است. تصفیه نشدن کامل مذاب وجود اکسیدهای مختلف در آن یکی دیگر از عوامل موثر در به وجود آمدن حفره‌های سطحی و زیرسطحی می‌باشد. عدم تنظیم درجه حرارت قالب و درجه حرارت مذاب باعث به وجود آمدن چین‌خوردگی قطعه و یا نیامد کردن مذاب شده و آن را معیوب می‌سازد. برای رفع این عیب باید درجه حرارت قالب در محدوده 0c250 تا 0c300 نگهداری شده و درجه حرارت مذاب متناسب با ضخامت قطعه ریختگی تنظیم گردد.
بالا رفتن درجه حرارت قالب به بیش از حد مجاز (بالاتر از 0c500 ) نیز موجب بروز عیوب سطحی در قطعه می‌شود.
ساختار میکروسکوپی
ساختار میکروسکوپی قطعات تولید شده در قالبهای فلزی دارای فازهای ریزتری نسبت به قطعات تولید شده در قالب ماسه‌ای است، علت ریزی فازها بالا بودن سرعت انجماد و جوانه‌زنی قوی در قالب های فلزی است.
چدن نشکن نیز از قاعده فوق مستثنی نیست و کلیه فازهای زمینه و گرافیت های کروی موجود در زمینه ریزتر از چدن نشکن تولید شده در قالب‌های ماسه‌ای است.

شکل گرافیت و تعداد آن
شکل گرافیت‌ها کاملا کروی می‌باشد و میزان کروی شدن آنها بالای 90 درصد است. تعداد گرافیتها در واحد سطح (تعداد در یک میلی متر مربع) بیش از تعداد گرافیت در قطعات تولید شده در ماسه است و گاهی تا 500 عدد در هر میلی‌متر مربع نیز می‌رسد. بالا بودن تعداد گرافیت‌ها ناشی از بالا بودن سرعت انجماد در قالب‌های فلزی می‌باشد که امری طبیعی است.
در شکلهای 1 تا 4 صفحه بعدی شکل گرافیت‌ها و نحوه توزیع آنها در بزرگنمایی 100 و 250 برابر قابل مشاهده هستند.






ساختار میکروسکوپی
با استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال و با تنظیم درجه حرارت قالب و ترکیب شیمیایی مذاب، به راحتی می‌توان به زمینه دلخواه عاری از کاربید بدون نیاز به عملیات حرارتی آنیل کردن دست یافت، ساختار زمینه یک نوع قطعه نشکن با ضخامت 10 میلی متر در حالت ریختگی متشکل از 20 درصد پرلیت و باقیمانده فریت است. در صورت نیاز می‌توان به زمینه‌ای کاملا فریتی و یا کاملا پرلیتی نیز دست یافت.
در شکل 1 ساختار میکروسکوپی یک قطعه نشکن تولید شده در قالب فلزی نشان داده شده است. همانگونه که ملاحظه می‌شود، گرافیتهای کاملا کروی در زمینه کاملا فریتی پخش شده‌اند. زمینه کاملا فریتی در حالتی حاصل شده است که از ماده پوشش عایق استفاده شده و درجه حرارت قالب با تنظیم دبی آب در حد بالایی نگه داشته شده است. در شکلهای 2 و 3 در بزرگنمایی 100 و 250 برابر ساختار قطعه ریختگی مشاهده می‌شود. در این ساختار نیز گرافیت‌های کروی در زمینه‌ای متشکل از 20 درصد پرلیت و بقیه فریت دیده می‌شود. در این حالت درجه حرارت قالب کمی پایین‌تر آورده شده و از پوشش دیرگداز عایق به ازاء هر چند بار تولید، یکبار استفاده شده است. در صورت عدم استفاده از فرایند تلقیح منیزیم در محفظه فعل و انفعال، دستیابی به زمینه‌ای بدون کاربید میسر نیست. این موضوع در شکل 4 در مورد همان قطعه نشکن تولید شده در قالب فلزی که عمل تلقطح منیزیم به روش ساندویچی در پاتیل صورت گرفته است دیده می‌شود. همانگونه که ملاحظه می‌شود گرافیت‌های کروی در زمینه از کاربید و فریت دیده می‌شوندع در این حالت برای رسیدن به زمینه‌ای متشکل از فریت و پرلیت بایستی عملیات حرارتی آنیل کردن و سپس سرد کردن به موقع و صحیح در هوا صورت گیرد.
عملیات حرارتی (آنیل کردن در کوره- خودتابی )
عملیات حرارتی آنیل کردن (تابانیدن) به منظور تجزیه کردن کاربید احتمالی تشکیل شده و به دست آوردن زمینه فریتی پرلیتی بر روی قطعات ریخته شده در قالب فلزی صورت می‌گیرد. عملیات آنیل کردن می‌تواند با استفاده از تابش کاری در کوره و یا بدون استفاده از کوره با روش خود تابشی صورت گیرد. چنانچه ترکیب شیمیایی و ضخامت قطعه به نحوی باشد که استفاده از کوره تاب جهت آنیل کردن و تجزیه کاربیدهای تشکیل شده لازم باشد. کافیست که قطعه را برای مدت 5/1 ساعت در درجه حرارت بالای 0c900 نگهداری، سپس در کوره سرد نمود. در این حالت مطمئنا کلیه کاربیدها حل شده و زمینه کاملا فریتی حاصل می‌گردد، با روش مختلف سرد کردن در هوا می‌توان به درصد مشخص‌ از فریت و پرلیت در زمینه دست یافت.
روش خوتابی
روش خودتابی حالتی است که بدون نیاز به کوره عملیات حرارتی، تا بانیدن قطعات صورت می‌گیرد. با استفاده از روش افزودن منیزیم در راهگاه و انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب و تنظیم و کنترل درجه حرارت قالب می‌توان بدون نیاز به کوره عملیات حرارتی به زمینه‌ای عادی از کاربید و متشکل از پرلیت و فریت دست یافت. جهت افزایش مقدار فریت در زمینه قطعه ریختگی زمان نگهداری قطعه در قالب پس از ریختن باید به حداقل ممکن رسانیده شود و قطعات پس از خروج از قالب بلافاصله در داخل یک محفظه عایق حرارت روی هم انباشته تا مرحله سرد شدن با استفاده از گرمای موجود در قطعات به آرامی صورت پذیرد. برای رسیدن به زمینه‌ای عاری از کاربید به خصوص برای قطعات با ضخامت کم، ترکیب شیمیایی مذاب باید به دقت کنترل شده و کربن معادل بالاتر از 6/4 درصد در نظر گرفته شود.